Aprovechamiento de la iluminación natural para el confort visual y ahorro energético: Aplicación a vivienda unifamiliar

Comunicación Greencities&Sostenibilidad 2012/Comunicaciones Científicas/Edificaciones

1. Introducción

Desde hace años venimos trabajando en tres líneas de investigación: arquitectura, patrimonio y sostenibilidad. Particularmente David Moreno realizó su tesis doctoral bajo el nombre “Hacia una arquitectura para la vida: cuatro acciones/reacciones que permiten esbozar las nuevas condiciones de lo arquitectónico ante el problema de la sostenibilidad” sobre ésta última. Cuatro master oficiales cursados por el equipo redactor relacionados con las áreas temáticas. Uno de ellos secretario técnico del máster “ciudad y arquitectura sostenibles” de la Universidad de Sevilla. Docente tanto del departamento de “Historia, Teoría y Composición arquitectónicas” como del de “Construcciones Arquitectónicas I”, de la ETSA de Sevilla. Estudio profesional activo. Participación en múltiples proyectos de investigación, entre los que se encuentra el desarrollo del prototipo de vivienda unifamiliar “Patio 2.12″ (área de eficiencia energética) para el prestigioso concurso Solar Decathlon Europe 2012.

2. Objetivos

Para las personas la luz tiene una gran relevancia puesto que casi el 80% de la información que reciben procede a través de los ojos. La cantidad y la calidad de la luz que recibe el ojo humano tiene una influencia directa en la manera de como se ven las cosas. Grandes arquitectos han comprendido y comprenden el impacto que tiene la luz natural y su importancia al desarrollar los ambientes adecuados para el hombre. Si bien la luz natural y la artificial tienen sus características individuales y diferentes atributos cualitativos, la luz en general puede ser utilizada por la arquitectura tanto para crear efectos agradables como para proporcionar espacios lumínicamente adecuados a la tarea visual específica que se vaya a desarrollar. Por ello, la luz no debe emplearse como simple elemento decorativo, sino como parte estructural de la arquitectura.

En términos de luz, puede decirse que el confort lumínico se logra cuando el ojo humano está en condiciones de desarrollar una actividad, ya sea leer un libro u observar un objeto, rápidamente sin distracciones y sin ningún tipo de estrés. La eficiencia visual se cuantifica a través de la velocidad y la precisión con que se realiza una tarea. Los parámetros que se deben considerar para obtener confort visual son principalmente una adecuada iluminación, la limitación del deslumbramiento (exceso de iluminación), evitar interiores oscuros y procurar proveer las formas y los tamaños adecuados de huecos para mantener el contacto con el mundo exterior.

Para permitir que las personas realicen tareas visuales de modo eficiente y preciso, debe preverse una iluminación adecuada y apropiada. La iluminación puede ser proporcionada mediante luz natural, alumbrado artificial o una combinación de los mismos.

El grado de visibilidad y confort requerido en un amplio ámbito de lugares de trabajo es gobernado por el tipo y duración de la actividad.

Para la buena práctica de iluminación es esencial que además de la iluminancia requerida, se satisfagan necesidades cualitativas y cuantitativas.

Los requisitos de iluminación son determinados por la satisfacción de tres necesidades humanas básicas:

-Confort visual, en el que los trabajadores tienen una sensación de bienestar; de un modo indirecto también contribuye a un elevado nivel de productividad.

-Prestaciones visuales, en el que los trabajadores son capaces de realizar sus tareas visuales, incluso en circunstancias difíciles y durante períodos más largos.

-Seguridad

3. Metodología y caso de estudio

3.1 Metodología

Como base de partida para la consideración de un correcto diseño de iluminación de un edificio, deben establecerse una serie de criterios de valoración, entre los que pueden destacarse los siguientes:

-La iluminación debe facilitar la orientación y definición de la situación de una persona en el espacio y tiempo.

-La iluminación debe integrase en el diseño arquitectónico y de interior, es decir, planificarse desde el principio y no agregarse en una fase posterior.

-La iluminación debe crear una sensación y atmósfera adaptadas a las necesidades y expectativas de las personas: formal, íntima o acogedora.

-La iluminación debe facilitar y promover la comunicación entre las personas.

-La iluminación debe facilitar la percepción y reconocimiento de las personas

A fin de controlar la calidad de la luz ambiental, se deben tener en cuenta un conjunto de parámetros relevantes, que incluyen:

-La elección del lugar, orientación, forma y dimensiones del edificio, para aprovechar las ventajas de la aportación de luz natural e impedir sus inconvenientes inherentes a la presencia del sol y de su trayectoria.

-El diseño de luz natural debe comenzar en la etapa de distribución del lugar de ubicación, antes de conside­rar en detalle los huecos. La razón para ello es que los grandes obstáculos que rodean al edificio pueden tener un impacto tanto en la cantidad de luz que alcan­za los huecos como en la distribución de la luz dentro de una sala.

-          La selección de la abertura de penetración de la luz natural y su orientación, factor esencial para el control de la calidad de iluminación.

Parámetros de diseño en huecos

El diseño de los huecos puede ser muy diferente. Una primera aproximación es definir la relación entre altura y an­chura. De este modo los huecos pueden ser clasifi­cados como:

-Hueco horizontal:  coeficiente de forma 1/2

-Hueco vertical:      coeficiente de forma 2

-Hueco intermedio: coeficiente desde 1/2 a 2

La forma del hueco influye principalmente sobre la distribución de la luz en el espacio iluminado, la cali­dad de visión y el potencial para la ventilación natu­ral. De esta forma, con huecos horizontales la iluminación del interior es una banda paralela a la pared del hueco, que produce poca diferencia en la distribución de la luz a lo largo del día, con poco deslumbramiento. Mientras que con huecos verticales, la iluminación del inte­rior es una banda perpendicular a la pared del hueco, produciendo así una distribución luminosa muy variable a lo largo del día. Esta forma de hueco ofrece mejor iluminación en las zonas más alejadas de ella; sin embargo hay un mayor deslumbramiento.

Respecto a su posición, mientras más alto esté el hueco mayor es la profun­didad de penetración de luz natural, lo que produce una mejor distribución en la sala iluminada.

Un hueco en posición central produce una mejor distribución de luz en el interior, mientras que un hueco en esquina provoca menos deslumbramiento.

Es muy importante también tener en consideración la orientación geográfica ya que el trayecto del sol puede tener una gran influencia sobre la iluminación natural.

Desde el punto de vista de iluminación:

-Orientación sur, niveles luminosos elevados y prácticamente constantes, elevada ganancia de energía en invierno y media en verano.

-Orientación este u oeste proporcionan niveles de iluminación medios, pero variables a lo largo del día, con elevada ganancia de energía en verano y baja en invierno.

-Orientación norte, proporcionan niveles luminosos bajos pero constantes a lo largo del día y escasa ganancia de energía.

Por último, es interesante controlar la cantidad y distribución de la luz natural que entra en un espacio, puesto que a veces puede producirse deslumbramiento y se hace necesario la regulación de la luminosidad. Para ello, podemos controlar varios aspectos:

-Características de transmisión del acristalamiento determinan el máximo flujo de luz natural.

-Sistemas de control, que abarcan desde los elementos estáticos simples (pérgola) hasta los dinámicos (persianas o cortinas).

Cálculo de parámetros

Para conseguir un adecuado ambiente luminoso, deberemos conocer dos parámetros que van relacionados con la iluminación del espacio:

a) Iluminancia

La iluminancia y su distribución en el área de la tarea y el área circundante tienen un gran impacto en cómo una persona percibe y realiza la tarea visual de un modo rápido, seguro y confortable. La Iluminancia se define como el flujo luminoso recibido por una superficie (1):

                                                             E = Ф / S (luxes)                                                     (1)

La iluminancia de áreas circundantes inmediatas debe estar relacionada con la iluminancia del área de tarea (tabla 1) y debería proporcionar una distribución de luminancias bien equilibrada en el campo de visión.

Las grandes variaciones espaciales en iluminancias alrededor del área de tarea pueden conducir a tensiones y molestias visuales.

 

 

 

 

Tabla 1: iluminancia de áreas circundantes

Iluminancia de la tarea

(lux)Iluminancia de áreas circundantes inmediatas

(lux)≤ 750500  500300  300200≤ 200E_tareaUniformidad ≥ 0,5Uniformidad ≥ 0,5

b)      Factor Luz de día

El Factor de luz diurna (FLD) se define como la iluminación de luz natural medida en un punto situado en un plano determinado, debida a la luz recibida directa o indirectamente desde un cielo de supuesta o conocida distribución de iluminación (E), y que se expresa en porcentaje (2):

            FLD (%)=E_int / E_ext                                                        (2)

El factor luz día (FLD) mide la relación entre la iluminancia interior sobre la superficie de trabajo y la iluminancia exterior sobre una superficie horizontal. Está constituido por tres componentes:

1. Directa: es la iluminación proveniente de la parte visible del cielo en el punto considerado.
2. Reflejada exterior: es la iluminación que llega al punto considerado por reflexión de los rayos luminosos sobre las superficies exteriores.
3. Reflejada interior: es la iluminación que llega al punto considerado por reflexión de la radiación luminosa sobre las superficies interiores.

Los valores del FLD que indican la cantidad de iluminación son los siguientes:

FLD < 1%    Poca iluminación

FLD < 3%    Regular iluminación suficiente para actividades de poca precisión durante la mayor parte del día

FLD < 5%    Buena iluminación suficiente para actividades precisas durante bastantes horas al día

FLD > 5%    Iluminación muy buena suficiente para actividades precisas durante muchas horas al día

Caso de estudio

Realizamos el estudio de iluminación natural del módulo de sala de estar del PROTOTIPO PATIO 2.12 SDE 2012 (Figura 1 y 2).

El espacio de análisis se trata de una estancia de la vivienda dedicada al descanso y desarrollo de actividades de trabajo o lectura.  Este espacio es usado de forma irregular sin ningún horario predeterminado. Establecemos el plano de trabajo a 85 cm del suelo.

Se plantea el siguiente sistema de análisis como referencia:

-          Estudio del espacio y diseño de huecos, teniendo en cuenta la actividad que se va a desarrollar.

-          Estudio de las diferentes condiciones de luz natural:

a)     Durante la estación invernal, el patio se utiliza como un espacio solar captador de radiación solar. La configuración flexible del cerramiento acristalado permite su transformación en un espacio cerrado, como un invernadero, o en un espacio con una cubierta acristalada, pero ventilado en sus lados.

El techo del patio incorpora algunas lamas orientables para el control de la cantidad de radiación que incide directamente en el interior, además de prevenir el exceso no deseado y el sobrecalentamiento que podría producirse incluso en la temporada de invierno (figura 3).

Por tanto, durante el invierno se obtendrá una mayor iluminación de las estancias proveniente de los huecos practicados hacia el patio, puesto que las lamas quedan reguladas de forma que penetre la mayor radiación posible (figura 4).

b)     En días calurosos, el patio acristalado se convierte en un espacio sombrío donde se favorece la ventilación. El patio se abre completamente, permitiendo ventilar mucho más la casa y disipando mucho más el calor almacenado. La protección solar del patio se activa durante el día, el vidrio se repliega evitando que se produzca el efecto invernadero favoreciendo la ventilación completa del patio y de los módulos (figura 5).

Por tanto, durante el verano se obtendrá una menor iluminación de las estancias proveniente de los huecos practicados hacia el patio, puesto que las lamas quedan reguladas de forma que penetre la menor radiación posible (figura 6).

-          Comprobación de la iluminancia mantenida en el área de tarea sobre la superficie de referencia, en nuestro caso horizontal, no debe caer por debajo del valor de 300 luxes. Además, para conseguir una buena iluminación, suficiente para realizar tareas precisas durante todo el día, exigiremos un FLD entre el 3%-5%.

-          Cálculo de autonomía lumínica.Gran parte del consumo energético de una vivienda se debe al consumo de luz artificial, por tanto, mientras mayor sea la autonomía que consigamos con la luz natural, mayor será el ahorro energético.

4. Resultados

A continuación, se presenta caso de estudio. Mediante  el Software Avanzado de Autodesk ECOTECT, llevamos a cabo el cálculo la iluminancia y FLD tanto para situaciones de invierno como de verano. Gracias a ello, podemos observar el grado de confort que existe en la sala y por tanto, verificar si los huecos proyectados son correctos respecto a su orientación, forma y dimensión.

Una vez elegida la mejor opción, calcularemos la autonomía (Programa Daysim)  que conseguimos en el diseño elegido.

Como hipótesis de partida, se proyecta un primer hueco situado en la esquina suroeste del espacio, que permite el acceso al patio y la vinculación con este.  Obteniendo así, los siguientes valores (figura 7-10):

FLD_medio = 2,83 % < 3,00%

E_m = 222,93 lux < 300,00 lux

FLD_medio = 2,64 % < 3,00%

 

E_m = 208,13 lux < 300,00 lux

Debido a la insuficiente iluminación y a la necesidad de una homogeneidad lumínica de la estancia, se opta por la incorporación de un nuevo hueco. Elegimos la fachada norte para la apertura de dicho hueco, puesto que buscamos un nivel luminoso bajo, para ajustar el nivel existente, pero constante a lo largo del día.

La forma del hueco será vertical, que nos ofrecerá mejor iluminación en las zonas más alejadas respecto a él. Además, incorporamos una pieza de cerámica a modo de celosía móvil que nos permite tamizar la luz. Obtenemos así los siguientes valores, con la celosía cerrada  (figura 11-14):

 

FLD_medio =  3,00% < 4,09% < 5,00%

E_m = 323,05 lux > 300,00 lux

FLD_medio =  3,00% < 3,75% < 5,00%

E_m = 295,45 lux < 300,00 lux

A continuación, obtenemos los resultados con la celosía abierta (figura 15-18):

FLD_medio =  3,00% < 4,34% < 5,00%

E_m = 342,75 lux > 300,00 lux

FLD_medio =  3,00% < 3,99% < 5,00%

E_m = 315,05 lux > 300,00 lux

La apertura de la celosía, incrementa la iluminancia lo suficiente para que se rebasen los 300 luxes. Por tanto, para días de invierno, si se desea, no será necesaria la apertura de la cerámica, mientras que para verano deberá permanecer abierta para conseguir la iluminación deseada.

Resumen de resultados (tabla 2):

Tabla 2: resultados

	Parámetros	Valores de cálculo	Valor recomendado
Invierno	FLD (%)	4,34	3-5
	Iluminancia (lux)	342,75	300
Verano	FLD (%)	3,99	3-5
	Iluminancia (lux)	315,05	300

Una vez obtenida los resultados, calculamos la autonomía lumínica mediante el Sotware DAYSIM (figura 19):

Estableciendo un rango de utilización de la sala durante todo el día, sin interrupciones, obtenemos como valor medio 63,43% de “Daylight Autonomy”, lo que describe el porcentaje del tiempo de ocupación del año en que el iluminancia en un cualquier punto es superior al nivel mínimo requerido, 300 luxes en este caso. Cerca de los huecos obtenemos casi el 100% y cae en un 30% aproximadamente en las esquinas opuestas a estas. Por tanto, tendremos una gran autonomía que beneficiará el ahorro energético con un menor consumo.

5. Conclusiones

La importancia de la iluminación natural desde el inicio del proyecto es clave para desarrollar una buena arquitectura pues esta determinará la condición del espacio. Llenar de calidad dicho espacio mediante este recurso natural, nos asegurará un confort para el usuario al que se destina, ayudando a este a desarrollar una actividad determinada en las mejores condiciones posibles.

Para llevar a cabo un buen diseño en el edificio para el aprovechamiento de la iluminación natural, podemos establecer los siguientes criterios básicos a tener en cuenta:

-         Orientación del edificio

-         Estudio del entorno y obstáculos exteriores que pudiesen arrojarnos sombra

-         Diseño de los huecos: en función de su orientación y dimensiones, obtendremos diferentes tipos de iluminación.

-         Comprobación de iluminancia y FLD requeridos en función del uso

-         Incorporación de elementos reguladores de iluminación natural que nos ayuden a conseguir un adecuado ambiente luminoso.

-          Comprobación de autonomía de luz natural

Un estudio de iluminación natural nos abre un abanico de posibilidades y nos asegura conseguir un diseño donde el aprovechamiento sea máximo y el resultado óptimo, evitando cualquier error, lo que se traducirá en un ahorro energético al obtener gran autonomía lumínica de forma natural.

Además, una buena iluminación que asegure eficiencia visual, confort sensorial y un medio ambiente apropiado a las personas usuarias del espacio, hace que sean capaces de realizar su tarea a mayor velocidad y con buena precisión, consecuentemente, les conducirá a una mayor productividad en el desarrollo de sus tareas.

 

Correspondencia

Nombre y Apellidos: Manuel Fernández Expósito

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E-mail: manuelfernandez@estudioheliopausa.com

 

 

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